CN111009670A - 一种新型燃料电池低温启动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型燃料电池低温启动系统，包括电堆，所述电堆上连有空气进气管路和与氢气源连通的氢气管路，所述空气进气管路上设有电子换向阀、膜增湿器，所述电堆的冷却液循环管路上设有散热器，冷却液第一出管的一端与电堆连接，所述冷却液第一出管的另一端连有催化燃烧加热器，所述催化燃烧加热器通过冷却液第二出管与散热器连接，所述散热器与电堆之间通过冷却液进管连接，所述冷却液进管上设有电子节温器和冷却水泵，所述电子节温器通过管路与冷却液第二出管连通，催化燃烧加热器的氢气进口通过第二管路与氢气管路连通，催化燃烧加热器的混合气出口通过第三管路与膜增湿器与电堆之间的空气进气管路连通。

Description

一种新型燃料电池低温启动系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种新型燃料电池低温启动系统。
背景技术
在实际应用中，燃料电池汽车需要有较宽的工作温度范围，既需要保证在较低环境温度下工作，也能够适应高温高湿的环境。其中，实现-20℃低温启动是燃料电池车的一个重要技术要求。
燃料电池电堆的工作特性决定了在低于正常工作温度的环境下直接启动燃料电池时，由于冰的形成和反应部位的堵塞，会使得燃料电池操作性能和寿命降低，从而对电池组件造成不可逆转的损伤。在燃料电池工作前需将其温度提升至正常工作温度以上，融化在电池表面附着的冰层，提高催化剂的活化性能。目前，实现燃料电池低温启动的技术方法多为通过使用PTC加热燃料电池循环冷却液的方式加热电堆。该项技术加热速度较慢，影响燃料电池在低温环境下的启动速度，用户体验较差。此外，该项技术使用的加热电力来源于车载动力电池或者外部插电，全功率燃料电池车的车载动力电池容量较小，一般储存电量在2kWh以下并不能满足PTC加热的用电需求。在低温环境下，动力电池放电性能会进一步变差，增加燃料电池的低温启动时间，部分燃料电池使用场景亦无外部插电。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种新型燃料电池低温启动系统，对外部电力依赖程度小，无污染，加热速度快能够在较短时间内将燃料电池温度提升至正常工作温度，使用化学反应放热的方式加热燃料电池，效率高，摆脱低温下对动力电池用电的依赖，使用燃料电池车自带氢气，原料来源方便，降低了成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型燃料电池低温启动系统，包括电堆，所述电堆上连有空气进气管路和与氢气源连通的氢气管路，所述空气进气管路上设有电子换向阀、膜增湿器，所述电堆的冷却液循环管路上设有散热器，所述冷却液循环管路包括冷却液第一出管、冷却液第二出管和冷却液进管，所述冷却液第一出管的一端与电堆连接，所述冷却液第一出管的另一端连有催化燃烧加热器，所述催化燃烧加热器通过冷却液第二出管与散热器连接，所述散热器与电堆之间通过冷却液进管连接，所述冷却液进管上设有电子节温器和冷却水泵，所述电子节温器通过管路与冷却液第二出管连通，所述冷却液第一出管和冷却液进管上均设有温压一体传感器，所述催化燃烧加热器的空气进口通过第一管路与电子换向阀连通，催化燃烧加热器的氢气进口通过第二管路与氢气管路连通，所述第二管路上设有单向阀，催化燃烧加热器的混合气出口通过第三管路与膜增湿器与电堆之间的空气进气管路连通。
优选的，所述催化燃烧加热器包括加热腔，所述加热腔的侧壁上设有冷却液出口和冷却液进口，所述冷却液进口与冷却液第一出管连接，所述冷却液出口与冷却液第二出管连接，所述加热腔的一端设有汇流腔，所述汇流腔上设有氢气进口、空气进口和进口温度传感器，所述氢气进口上设有氢气进口集成电磁阀，所述空气进口上设有空气进口集成电磁阀，所述加热腔的另一端设有混合腔，所述混合腔上设有混合气出口和出口温度传感器，所述汇流腔和混合腔之间通过加热管连通，所述加热管设于加热腔内，所述加热管内壁上设有Pt 类催化剂，所述进口温度传感器、出口温度传感器均与燃料电池系统控制器电连接。
优选的，所述汇流腔上连有泄压口，所述泄压口上连有泄压管，所述泄压管上设有泄压阀。
优选的，所述空气进口集成电磁阀与氢气进口集成电磁阀的型号为burkert6011，所述出口温度传感器遇进口温度传感器的型号为32MPP14-3。
优选的，所述电子节温器的型号为天博EMT。
优选的，所述第三管路上设有过滤器，所述过滤器为T型过滤器，型号为 SwagelokSS-8TF-05。
优选的，所述温压一体传感器的型号为TEM00478。
优选的，所述氢气管路上设有比例控制阀，比例控制阀的型号为burkert 2875。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明不同于现有的燃料电池低温加热技术，对外部电力依赖程度小，无污染，加热速度快能够在较短时间内将燃料电池温度提升至正常工作温度，使用化学反应放热的方式加热燃料电池，效率高，摆脱低温下对动力电池用电的依赖，使用燃料电池车自带氢气，原料来源方便，降低了成本。
2、本发明通过第三管路将混合气体通入电堆空气腔内继续对电堆加热，提高氢空反应后的热量利用率，加快电堆温度提高速度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为催化燃烧加热器的立体结构示意图；
图3为催化燃烧加热器的主视图；
图4为催化燃烧加热器的剖意图。
图中：1-氢气进口集成电磁阀；2-泄压口；3-氢气进口；4-空气进口；5- 空气进口集成电磁阀；6-进口温度传感器；7-加热腔；8-出口温度传感器；9- 混合气出口；10-冷却液出口；11-冷却液进口；12-汇流腔；13-混合腔；14-加热管；15-冷却液进管；16-冷却液第一出管；17-第一管路；18-第二管路；19- 冷却液第二出管；20-第三管路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种新型燃料电池低温启动系统，包括电堆，电堆上连有空气进气管路和与氢气源连通的氢气管路，空气进气管路上设有电子换向阀、膜增湿器，电堆的冷却液循环管路上设有散热器，冷却液循环管路包括冷却液第一出管16、冷却液第二出管19和冷却液进管15，冷却液第一出管16的一端与电堆连接，冷却液第一出管16的另一端连有催化燃烧加热器，催化燃烧加热器通过冷却液第二出管19与散热器连接，散热器与电堆之间通过冷却液进管15连接，冷却液进管15上设有电子节温器和冷却水泵，电子节温器通过管路与冷却液第二出管19连通，冷却液第一出管16和冷却液进管15上均设有温压一体传感器，催化燃烧加热器的空气进口4通过第一管路17与电子换向阀连通，催化燃烧加热器的氢气进口3通过第二管路18与氢气管路连通，第二管路18上设有单向阀，型号为Swagelok：SS-CHS6-1。催化燃烧加热器的混合气出口9通过第三管路20与膜增湿器与电堆之间的空气进气管路连通，催化燃烧器上的温度传感器通过线束与燃料电池系统控制器连接，实时传输催化燃烧加热器的进口端与出口端的温度。
如图2-4所示，催化燃烧加热器包括加热腔7，加热腔7的侧壁上设有冷却液出口10和冷却液进口11，冷却液进口11与冷却液第一出管16连接，冷却液出口10与冷却液第二出管19连接，加热腔7的一端设有汇流腔12，汇流腔12上设有氢气进口3、空气进口4和进口温度传感器6，氢气进口3上设有氢气进口集成电磁阀1，空气进口4上设有空气进口4集成电磁阀5，加热腔7 的另一端设有混合腔13，混合腔13上设有混合气出口9和出口温度传感器8，汇流腔12和混合腔13之间通过加热管14连通，加热管14设于加热腔7内，加热管14内壁上设有Pt类催化剂，例如，Pt-Sn/Al3O3、Pd/γ-Al2O3等，进口温度传感器6、出口温度传感器8均与燃料电池系统控制器电连接。
在本实施例中，各部件的具体采用型号为：
汇流腔12上连有泄压口2，泄压口2上连有泄压管，泄压管连接至燃料电池系统空气尾排管路上，泄压管上设有泄压阀，型号为，Swagelok：RL-3。
空气进口4集成电磁阀5与氢气进口集成电磁阀1的型号为burkert6011，出口温度传感器8遇进口温度传感器6的型号为32MPP14-3。
电子节温器的型号为天博EMT。
第三管路20上设有过滤器，过滤器为T型过滤器，型号为Swagelok SS-8TF-05，过滤器上设置有排水管并连接至燃料电池系统空气尾排管路上。
温压一体传感器的型号为TEM00478。
氢气管路上设有比例控制阀，比例控制阀的型号为burkert 2875。
运行过程为：
运行时，燃料电池系统首先通过环境温度传感器监测环境温度Tenv与燃料电池系统冷却液的温度TCooling，若两者温度相同或者接近并且都处于-20℃以下时，燃料电池系统将启动低温启动系统加热燃料电池电堆。整个加热过程，无需人工干预，燃料电池控制器会自动实现系统加热过程的管控，其过程如下：
燃料电池控制器收集燃料电池系统内冷却液的温度TCooling，计算燃料电池堆加热到正常启动温度时所需的热量Qst，QC＝Qst+Qrc，其中Qc为催化燃烧加热器产生的能被电堆吸收的热量，Qrc为电堆对环境的热辐射，Qrc通过查询内置在燃料电池控制器中的数据表格可以确定。确定催化燃烧加热器所需提供的热量后，燃料电池控制器通过计算获得进入催化燃烧加热器的氢气流量QH2、空气流量QAir、冷却液的循环流量TCooling数值。
确定上述三个流量值后，燃料电池系统控制器设定冷却水泵转速Rpump，调整冷却液的流量TCooling。空压机启动，空压机为燃料电池系统自带，设置在电堆进口前，按所需空气流量调整空压机的转速RAir，同期，催化燃烧加热器上的空气进口4集成电磁阀5开启，空气进入催化燃烧加热器，电子换向阀调整开度Aj，调整进入催化燃烧器的空气流量与压力至设定值。在空气调整到位后，催化燃烧加热器上的氢气进口集成电磁阀1开启，比例控制阀按催化燃烧加热器所需的氢气流量QH2设定，氢气进入催化燃烧加热器。氢气与空气进入汇流腔12后加热管14参与反应，加热管14内壁有催化剂，氢空混合气进入加热管14后，氢气、氧气与催化剂发生化学反应，最终生成水，催化剂保持不变，同时释放出热量，加热管14温度开始快速上升，通过冷却液第一出管 16进入到加热腔7内的冷却液被加热，被加热的冷却液由冷却液第二出管19 直接流入冷却液进管15，最终冷却液将热量带至电堆冷却液腔，电堆与冷却液进行热交换，电堆温度逐步升高。同时，反应后的混合气由第三管路20流出，经过过滤器过滤后进入电堆空气腔与电堆进行换热，进一步提升电堆的温度。燃料电池控制器实时收集催化燃烧加热器上的进口温度传感器6与出口温度传感器8的温度数值Tin、Tout，作为反馈指标参数之一控制进入催化燃烧混合器的空气与氢气流量。
当电堆温度逐渐接近正常工作温度时，燃料电池控制器逐步降低空气量与氢气量，此时负载开始对电堆进行小电流加载，电堆自身开始放热。当电堆温度升至临界正常工作温度时，调整比例控制阀减少氢气流量，然后降低空压机转速，减少空气流量。电堆温度升至正常工作温度后，催化燃烧加热器上的空气集成电磁阀与氢气集成电磁阀关闭，电子换向阀转向是的空气进气管对电堆供气，空气与氢气进入电堆参与反应，电堆开始按正常方式工作对外输出电能；此时催化燃烧加热器不工作，在电子节温器的作用下，冷却液从冷却液第一出管16进入催化燃烧加热器，然后由冷却液第二出管19进入散热器，最后由冷却液进管15流入电堆，对电堆散热。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种新型燃料电池低温启动系统，包括电堆，所述电堆上连有空气进气管路和与氢气源连通的氢气管路，所述空气进气管路上设有电子换向阀、膜增湿器，所述电堆的冷却液循环管路上设有散热器，其特征在于：所述冷却液循环管路包括冷却液第一出管、冷却液第二出管和冷却液进管，所述冷却液第一出管的一端与电堆连接，所述冷却液第一出管的另一端连有催化燃烧加热器，所述催化燃烧加热器通过冷却液第二出管与散热器连接，所述散热器与电堆之间通过冷却液进管连接，所述冷却液进管上设有电子节温器和冷却水泵，所述电子节温器通过管路与冷却液第二出管连通，所述冷却液第一出管和冷却液进管上均设有温压一体传感器，所述催化燃烧加热器的空气进口通过第一管路与电子换向阀连通，催化燃烧加热器的氢气进口通过第二管路与氢气管路连通，所述第二管路上设有单向阀，催化燃烧加热器的混合气出口通过第三管路与膜增湿器与电堆之间的空气进气管路连通。
2.如权利要求1所述的一种新型燃料电池低温启动系统，其特征在于：所述催化燃烧加热器包括加热腔，所述加热腔的侧壁上设有冷却液出口和冷却液进口，所述冷却液进口与冷却液第一出管连接，所述冷却液出口与冷却液第二出管连接，所述加热腔的一端设有汇流腔，所述汇流腔上设有氢气进口、空气进口和进口温度传感器，所述氢气进口上设有氢气进口集成电磁阀，所述空气进口上设有空气进口集成电磁阀，所述加热腔的另一端设有混合腔，所述混合腔上设有混合气出口和出口温度传感器，所述汇流腔和混合腔之间通过加热管连通，所述加热管设于加热腔内，所述加热管内壁上设有Pt类催化剂，所述进口温度传感器、出口温度传感器均与燃料电池系统控制器电连接。
3.如权利要求2所述的一种新型燃料电池低温启动系统，其特征在于：所述汇流腔上连有泄压口，所述泄压口上连有泄压管，所述泄压管上设有泄压阀。
4.如权利要求2所述的一种新型燃料电池低温启动系统，其特征在于：所述空气进口集成电磁阀与氢气进口集成电磁阀的型号为burkert6011，所述出口温度传感器遇进口温度传感器的型号为32MPP14-3。
5.如权利要求1所述的一种新型燃料电池低温启动系统，其特征在于：所述电子节温器的型号为天博EMT。
6.如权利要求1所述的一种新型燃料电池低温启动系统，其特征在于：所述第三管路上设有过滤器，所述过滤器为T型过滤器，型号为Swagelok SS-8TF-05。
7.如权利要求1所述的一种新型燃料电池低温启动系统，其特征在于：所述温压一体传感器的型号为TEM00478。
8.如权利要求1所述的一种新型燃料电池低温启动系统，其特征在于：所述氢气管路上设有比例控制阀，比例控制阀的型号为burkert 2875。
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